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文/消防設備師 劉大衛 高士峯

前言: 前言: 隨著建築消防系統之精進與消防設備之發展,火警系統之結構,型式更加靈活多樣,尤

其近年來各廠家相繼推出了一系列新型之火災警報系統,同時為因應智慧型系統/中央監控

的需求及與各類網路之配合又開發出多種新的系統.火警系統將越來越向智能化系統發展,

這就為系統化組合創造了更加方便之條件而構成各種網路結構.

一.火警系統的形成和發展

1.火警系統的形成

1847 年美國牙科醫生錢寧和緬甸大學教

授儂依研究出世界上第一部都市火災警

報發送裝置,此時以偵溫探測器為主.20

世紀40年代末期,瑞士物理學家梅理和耶

格研發的離子式偵煙探測器問世,在70年

代,光電式偵煙探測器形成.在 80 年代隨

著電子計算機之應用及火警系統技術的

不斷進步,各類新型探測器不斷在形成.

2.火警系統的發展分為五個階段:

(1)第一代稱為多線式(多線制開關量式):

主要是 20 世紀 70 年代以前,其特點是簡

單,成本低但功能有明顯不足.

(2)第二代稱為總線式(總線制可尋址開關

量式)或稱為 P 型火警系統:在 80 年代初

形成,其優點是省錢,省工,所有探測器均

可並聯到迴路總線上,每只探測器設置地

址編碼.

(3)第三代稱為模擬量傳輸式智慧型火警

系統或稱為 R型火警系統:在 80年代後期

出現,其特點是在探測處理方法上做了改

進,把探測器的模擬信號不斷地送到控制

器去評估或判斷,控制器採用適當的計算

方法去辨別虛假或真實火災信號及其發

展程度或是探測器受污染的狀況.,

(4)第四代稱為分布式智慧型火警探測系統

器本身具有智能相當於人類的感覺器官可

對火災信號進行分析和智能處理並作出恰

當之判定,然後將這些判定信號傳給控制器,

再由控制器對探測器的運行狀態進行監視

和控制,由於探測部分和控制部分的雙重智

能處理使系統運行能力提高.

(5)第五代稱為無線火警系統,空氣樣本分

析系統,早期可視煙霧探測火警系統和光纖

溫度探測警報系統及載波系統等.

無線火警系統由探測器(發射器),中繼器以

及控制中心等三大部分組成.此系統具有節

省布線費用及工時,安裝開通容易之優點,

適於不宜布線的樓層,工廠,倉庫等,也適於

改造工程. 空氣樣本分析系統中採用高靈

敏吸氣式感煙探測器(HSSD),主要抽取空氣

樣本並進行煙粒子探測,還採用特殊設計之

檢測室､高強度的光源和高靈敏度的光接

收元件,使感煙靈敏度增加了幾百倍.

早期可視煙霧探測火警系統(VSD)是利用計

算機對標準 CCTV 攝影機提供的圖像進行分

析,先進的圖像處理技術加之廣角探測和已

知的誤報現象算法,自動識別煙霧的特定方

式並提醒操作人員在最短時間內到達現場.

火災防制產品不斷更新,使火警系統發生了

一次次革命為生命財產提供了重要保障.

中華民國消防設備師公會全國聯合會

消防技術專刊 第一輯第 3篇 發行人: 曾順正 理事長 會址:台北市長安東路 2段 63號 9樓之 1

TEL:(02)25064127 (06)2520909 E-mail:david@nafe.tw

20

圖 1

圖 2

21

圖 3

圖 4

22

2.火警系統的組成

火警系統由觸發元件(探測器,手動報警

機),火災報警控制器,火災警報裝置(聲

光警報裝置),控制裝置(控制模組,火災

警報聯動裝置,自動滅火系統的控制裝

置,室內消防栓的控制裝置,防排煙控制

系統及室內空調通風系統的控制裝置

,常開防火門緊急關閉裝置及防火捲門/防

火捲簾的控制裝置,消防緊急電梯控制裝

置,火災緊急廣播,火災警報裝置,消防通信

設備,火災緊急照明及疏散指示標誌的控制

裝置等),常用電源/緊急電源供電系統等所

組成.

(1)區域型火警系統 (Local Fire Alarm System)

圖 5

(2)集中型火警系統 (Remote Fire Alarm System)

圖 6

區域火

災警報

控制裝

置系統

火警報警裝置

(聲光警報)

消防

聯動

系統

集

中

型

火

警

報

警

控

制

器

區域報警

控 制 器

電 源

火警探測器

手動報警機

報警開關信號

手動報警機

報警開關信號

火警探測器

區域報警

控 制 器

電 源 電 源

火警報

警裝置

(聲光)

電 源

.

.

.

共N區

火警探測器

手動報警機

23

(3)中央控制型火警系統 (Center Control Fire Alarm System)

圖 7

3.火警探測器的發展

起初火警探測器系根據火災現象參數有

無超過其自身設定值(閾值)來確定是否

發布警報,因此無法排除環境和其他干擾

因素對探測器所造成之影響.它是以一個

不變的靈敏度來面對不同的使用場所及

不同環境的變化,這是非常不科學也不客

觀的.當靈敏度設定低時,會使警報不及

時或是漏報; 又當靈敏度設定高時又容

易產生誤報;另外由於探測器內部元件失

效或漂移現象等因素也會造成誤報,根據

相關資料統計當時誤報與火警之比率竟

達 20:1之多.

後來由於電子科技之精進對探測器之設

計與研究有長足之改善,可以自動補償靈

敏度之漂移也能識別個別探測器之位置

編碼同時還能完成故障自行診斷等功能.

當第三代產品出現時,可以把模擬量探測

器看作一個傳感器,通過一個串聯發訊裝

置,不僅能提供探測器之位置信號,還能

將火災敏感現象參數(如煙霧濃度,溫度)

以模擬值(一個真實的模擬信號或者是等

效數字編碼信號)傳送給控制器,對火警的

判斷和發送由控制器決定,警報方式有多

火災參數複合式,分級警報式和響應閾值

自動浮動式等,此階段探測器尚未智能化.

直到第四代產品出現後,由於探測器和控

制器的雙重智能處理,使系統運行能力大

為提高.

最近推出之所謂第五代產品計有無線火警

系統､空氣樣本分析系統､早期可視煙霧

探測火警系統和光纖溫度探測警報系統及

載波系統等,其中之無線火警系統以無線

電波為傳播媒體,探測部分與發射機合為

一體,由高能電池供電,每個中繼器只接收

自己組內的傳感發射機信號.當中繼器接

到組內某傳感器的信號時,進行位址對照,

一致時判讀所接收之數據,並由中繼器將

信號傳給控制中心,中心即能及時顯示相

對之信號.

集

中

型

火

警

報

警

控

制

裝

置

區域報警

控 制 器

電 源

火警探測器

手動報警機

報警開關信號

手動報警機

報警開關信號

火警探測器

區域報警

控 制 器

電 源 電 源

火警報警裝置 消

防

控

制

設

備

及

聯

動

裝

置

火警電話

火警緊急照明

火警緊急廣播

火警聯動裝置

滅火系統聯動

印表機

監視銀幕

.

.

.

共N區

24

二.火警探測器分類:

圖 8

偵

溫

式

火

警

探

測

器

定溫式

點型

差動式

差動/定溫

式

定溫式

線型

(分布型) 差動式

可燃氣體探測器

複合式火警探測器

易熔金屬定溫探測器

熱敏電阻定溫探測器

雙金屬定溫探測器

半導體定溫探測器

水銀接點定溫探測器

金屬膜片定溫探測器

熱電偶式定溫探測器

玻璃球膨脹型定溫探測器

熱敏電阻差動探測器

雙金屬差動探測器

半導體差動探測器

金屬膜盒差動探測器

熱敏電阻差動/定溫探測器

雙金屬差動/定溫探測器

半導體差動/定溫探測器

金屬膜盒差動/定溫探測器

半導體定溫探測器

可熔絕緣物線型定溫探測器

空氣管線型差動探測器

熱電偶線型差動探測器

膜盒式差動/定溫探測器

熱敏電阻差動/定溫探測器

雙金屬差動/定溫探測器

半導體差動/定溫探測器

雙源式離子偵煙探測器

單源式離子偵煙探測器

減光式光電偵煙探測器

散射式光電偵煙探測器

激光偵煙探測器

分離式光電偵煙探測器

紅外線光束探測器

紫外線光束探測器

複合式偵溫/偵煙探測器

複合式偵溫/火燄探測器

複合式偵煙/火燄探測器

複合式偵溫/偵煙/火燄探測器

分離式紅外光束偵煙/火燄探測器

差動/定溫

偵

煙

式

探

測

器

點

型

離子式偵煙探測器

光電式偵煙探測器

線 型

火燄式探測器

氣敏半導體可燃氣體探測器

催化燃燒型可燃氣體探測器

光化學式可燃氣體探測器

固體電介質可燃氣體探測器

25

煙敏電阻

三.探測器的構造及原理:

(一)偵煙探測器

常用的偵煙探測器計有離子式探測器,

光電式探測器及紅外線光束(分離型)探

測器等,偵煙探測器對火災前期警報很

有效,應用最廣泛,使用數量位居首位.

1.離子式偵煙探測器

構造及原理:離子式探測器有雙源雙室

和單源雙室之分,雙源雙室探測器是由

兩個性能一致的放射源片(配對)製成相

互串聯的兩個電離室及電子回路組程的

火警探測器,其中一個電離室開孔稱為

採樣電離室(外室)KM,煙可以自由進出,

另一個是封閉電離室稱為參考電離室

(內室)KR,煙無法進入僅能與外界溫度

相通,兩個電離室形成一個分壓器.

兩個電離室電壓之和 UM + UR 等於工作

電壓 UB (例如 DC18V),流過兩個電離室

之電流相等同為 IK . 採用內,外電離室串

聯的方法是為減少環境溫度,濕度,氣壓

等自然條件對電離子流的影響,提高穩

定性,防止誤報,把採樣電離室電阻視為

等效煙敏電阻 RM,參考電離室電阻視為固

定或預調電阻 RR,而 S 為電子等效回路,如

圖 9 所示,本體內兩個電離室的特徵曲線

如圖 10 所示,圖中,A 為無煙霧存在時採樣

室的特徵曲線,B(B1,B2,B3)為有煙霧存在

時採樣室的特徵曲線,C(C1,C2,C3)為參考

電離室的特徵曲線, 特徵曲線中 C1 為低

靈敏度,而 C2為中靈敏度, C3為高靈敏度,

請參考圖 11 所示.

放射源由 Am241 所構成,由放射源所產生

的 α 射線使電離室之空氣電離化,形成正

負離子,在電離室電場作用下,形成通過這

兩個電離室的電流,這樣可以把兩個電離

室看成兩個串聯的等效電阻,兩電阻交接

點與地之間維持某一電壓值.

當火災發生時,煙霧進入外電離室後,α

射線之離子電流被體積比其大甚多的煙粒

子吸附,結果外電離室之等效電阻變大,相

對而言,內電離室因無煙霧進入,電離室之

等效電阻不變,因而引起兩電阻交接點電

壓變化,當電壓到某一定值,即煙濃度達一

定值時,由設定之閾值經處理器處理後,開

關電路動作並發出警報信號.

KM KR IK IX

IK IK P A

C3 A/C3 B/C3 B3

UM UR C2 A/C2 B/C2 B2

C1 A/C1 B/C2 B1

+ IA -

UB 0 △UM3

圖 9 雙源雙室電離室示意圖 △UM2 18V

U’M2 U’R

△UM1

IK IK UM2 UR

UB

UM UR

圖 11 雙源雙室探測器 I-U 特性曲線

+ IA -

UB

圖 10 等效電路示意圖

S

S

固定或預調電阻

26

2.光電式偵煙探測器

(1)散射型光電式偵煙探測器:

散射型光電式探測器由光學探測室(偵

煙盒),光敏元件,火災計算處理器及其

他相關電子迴路所構成.請參考圖 12 之

示意圖.

光學探測室(偵煙盒)為重要部件是煙霧

感知器,主要由發射管,接收管,聚焦透

鏡,保證光學暗室的遮光窗及防蟲網所

構成,光學探測室結構之完善與否決定

著探測性能(探測煙霧的種類,靈敏度,

一致性,方位性),抗誤報性,抗纖維特

性,防蟲特性,抗環境光干擾特性及抗氣

流特性等.

在防護空間無煙霧存在時,探測器本體

以外的環境光線被偵煙盒之擋光片所阻

擋,不能進入光學探測室之感應空間,紅

外光敏二極體只能接收到紅外光束經多

次反射在敏感空間內所形成的背景光.

當煙霧粒子進入感應空間時,煙霧粒子

反射紅外線入射光,其中部分漫射光粒

子被紅外光敏二極體所接收後,形成光

電流,當光電流達到某一程度時,探測器

即刻發出警報信號.

(2)遮光型光電式偵煙探測器:

遮光型光電式探測器之主要構造由一個

光源(燈泡或發光二極體)和一個光敏元

件對應裝置在光學探測室(偵煙盒)內所

構成,如圖 13. 在正常(無煙)狀況下,光

源發出的光通過透鏡聚成光束,照射在

光敏元件上,並將其轉換成電信號,使整

個電路維持正常狀態,不生警報.

當發生火災產生煙霧時,煙霧隨著風生

氣流進入光學探測室(偵煙盒)內,光源

發出的光線受煙例子的散射和吸收作用

後,使光的傳播特性改變,光敏元件對接

收的光強度明顯減弱,電路之正常狀態

被破壞,探測器即刻發出警報信號.

(3)激光型光電式偵煙探測器:

激光型光電式偵煙探測器主要應用在高靈

敏度吸氣式偵煙火警警報系統(極早期偵

煙火警警報系統),但亦可使用在點型偵煙

探測器中,點型激光偵煙探測器之靈敏度

高於目前市面光電偵煙探測器約在 50 倍

以上.

點型激光偵煙探測器的原理主要採用光散

射基本原理,但又與普通散射光探測有很

大的區別,點型激光偵煙探測器的光學探

測室的發射二極體和組合透鏡使光束在光

電接收器的附近聚焦成一個很小亮點後,

光線進入光陷被吸收掉,當有煙時,煙粒子

在窄激光光束中的散射光通過特殊的反光

鏡被聚到光接收器上,讓探測器得到煙霧

顆粒從而產生信號.

(4)紅外線光束線型偵煙探測器:

探測器機組由發射器和接收器所組成,也

有經由一反射器之反射作用將發射器和接

收器部分二合為一者如圖 14.在正常情況

下由紅外線發射器發送一坡長為 940mm 的

脈衝紅外線光束,它經過防護空間不受障

礙阻擋地射到接收器的光敏元件上,如圖

15.當發生火災產生煙霧時,由於防護空

間的煙霧粒子擴散到紅外線光束內,使到

達接收器的紅外線光束輻射通量衰減,當

輻射通量減弱到預定的煙動作閾值,例如

閾值設定在光束減弱超過 40%時並且保持

衰減 10秒,探測器即刻發出警報信號.

紅外線光束線型偵煙探測器,抗干擾性能

強,密封設計,具有防腐防水性能,在相對

濕度較高和強電場環境中反應速度快,適

宜保護較大空間之場所,尤其適宜保護難

以使用點型探測器甚至根本不可能使用點

型探測器的場所,主要適合下列場所:

A.古建築,文物保護的廳堂館所.

B.變電站,發電廠等.

C.隧道工程.

D.大空間的庫房,飛機庫,紀念館,博物館,

檔案館等

27

紅外線

發光

二極體

紅外線

發光

二極體

煙塵

光學探測室 光學探測室

(黑色偵煙盒) (黑色偵煙盒)

擋光片(防止外光進入) 擋光片(防止外光進入)

感應空間 光敏元件 感應空間

光敏元件

圖 12 散射光式光電探測器偵煙原理 圖 13 減光式光電探測器偵煙原理

牆壁

反射鏡

(由距離選定相對機型)

圖 14 紅外線光束式(合一型)探測器偵煙原理

信號減弱

5m-100m

圖 15 紅外線光束式(分離型)探測器偵煙原理

煙塵

放大/比較/傳輸電路

煙塵

放大/比較/傳輸電路

信號

產生器

送光部 受光部

信號

接收器

信號

產生器

信號

接收部

28

(二)火焰探測器 點型火焰探測器是一種對火焰中特定波

段的電磁輻射敏感的火警探測器,又稱

感光探測器.主要用於監視易燃物質的

火災發生,如倉庫,燃料庫,變電所,計算

機房等場所,特別適用於沒有悶燒階段

的燃料火災(如醇類,汽油,煤油等易燃

液體或氣體火災)的早期檢測與警報.

因為電磁輻射的傳播速度極快,因此這

種探測器對快速發生的火災(例如易燃

易爆及可燃性液體等火災)能夠及時反

應是此類火災早期通報火警之理想探測

器.反應波長低於 400nm輻射通量稱紫外

線火焰探測器,反應波長高於 700nm輻射

通量稱紅外線火焰探測器.

紫外線火焰探測器:

紫外線火焰探測器由紫外線充氣光敏管

,自檢管,屏蔽套,反光環,石英窗口等組

成 ,如圖 16 所示 .當光敏管接收到

185-260nm 的紫外線時產生電離作用而

放電,使其內阻變小,流通電流增加迫使

電子開關導通,光敏管工作電壓降低,當

電壓降到 V 熄滅電壓時,光敏管停止放電

使導電電流減少,墊子開關斷開,此時電

源電壓通過 RC 電路充電,又使光敏管的

工作電壓重新升高到 V 導通電壓,於是又

重複上述過程,這樣便產生一連串脈沖,

脈沖的頻率與紫外線強度成正比,同時

與電路之參數有關.

石英玻璃窗有阻擋波長小於 185nm 的紫

外線通過的能力,而紫外光敏管接收紫

外線上限波長的能力,取決於光敏管電

極的材質和溫度以及管內沖氣的成分,

配比和壓力等因素.紫外線試驗燈 發出

紫外線,經反光環反射給紫外光敏管,用

來進行探測器光學功能的自檢.

目前消防工程中所應用的紫外線火焰探

測器都是由紫外線光敏管與趨動電路所

組合而成,可分為直流與交流兩種電路.

紫外線火焰探測器使用時應注意:

1.應避免陽光直接照射,以免陽光中的紫

外線輻射所造成之誤報.

2.在安裝有紫外線火焰探測器之防護場所

應避免電弧焊作業.

3.在安裝有紫外線火焰探測器之防護場所

應避免安裝發射大量發射紫外線的碘

鎢燈等相關照明設備.

4.在環境影響下,長期使用紫外線光敏管

可能會造成元件特性變化,形成自激現

象而造成誤報,此時需更換燈管.

5.紫外線光敏管應經常清潔,定期維修,以

確保透光性良好.

紅外線火焰探測器:

紅外線火焰探測器是利用紅外光敏元件

(硫化鉛,硒化鉛或矽製光敏元件等)的光

導電或光伏效應,來探測由低溫所產生的

紅外輻射.自然界中只要物體溫度高於絕

對溫度就會產生紅外輻射,所以利用紅外

線輻射探測火災時,一般還要考慮物質燃

燒時火焰的間歇性的閃爍現象,以區別於

背景之紅外線輻射狀態.物質燃燒時火焰

的閃爍頻率大約在3-30Hz.圖17為典型的

紅外線火焰探測器原理.火焰產生的紅外

線輸入”紅外線濾光片”濾光後,先排除

非紅外線,再由紅外光敏管接收轉變為電

信號,經放大器(1)放大和濾波器濾波,再

經放大器(2),積分電路等觸發開關電路,

點亮 LED確認燈,並發出警報信號.

紅外線火焰探測器使用時應注意:

1.在安裝紅外線火焰探測器時,應避免陽

光的直射與反射,也應避開強烈燈光的

照射,以防止由此引發的誤報.

2.對探頭光學部分應定期清潔,當紅鏡片

沾有灰塵或水氣污染時,可用擦鏡紙或

絨布擦拭.

3.紅外線火焰探測器的警報靈敏度,通常

使電壓放大倍數在 40 至 400 倍之間變

化,可得到較為合適的靈敏度.

紅外線濾光片 3 4 2

29

圖 16 紫外線火燄探測器結構示意圖 1.反光環 2.石英玻璃窗 3.光學遮護板

4.紫外線光敏管 5.紫外線試驗燈

6.紫外線

圖 17 紅外線火燄探測器動作原理圖

火焰探測器的分類及特徵

序號 分類名稱 特 徵

1 單通道紅外線

火焰探測器

優點:對大多數含碳氫化合物的火災感應良好,對電弧焊不敏感,

能抵抗煙塵與污染,對日光不起反應,對一般電力照明或人

工光源不反應.

缺點:對受調制的黑體熱源敏感,只能對具有閃爍特徵的火災起反

應,因此對可燃性高壓氣體所產生之噴射火焰偵測較為困難

2 雙通道紅外線

火焰探測器

優點:對大多數含碳氫化合物的火災感應良好,對弧焊不敏感,能

抵抗煙塵與污染,對日光不起反應,對一般電力照明或人工

光源不反應且受調制的黑體熱源不敏感,誤報率較低.

缺點:靈敏度較低.

3 紫外線

火焰探測器

優點:對絕大多數燃燒物質能夠反應,但反應的快慢有所不同,最

快反應時間不到 12ms,可用於抑爆等特殊場合,不要求火焰

之閃爍效性.在高達 125℃的高溫場所,可採用特種形式的

火焰探測器.對固定或移動的黑體熱源反應不靈敏,對日光

輻射和絕大多數人工照明輻射不反應,可帶自檢機構,某些

機型可在現場進行靈敏度和反應時間做適度調整.

缺點:較易產生誤報.

4 紫外/紅外線

火焰探測器

優點:對大多數含碳氫化合物的火災感應良好,對電弧焊不敏感.

比單通道紅外線火焰探測器反應稍快,但比紫外線火焰探測

器稍慢.對日光不起反應,對一般電力照明或人工光源不反

應,對其他形式輻射的影響小,對黑體輻射不敏感.即使背景

正在進行電弧焊,但經過簡單之表決單元處理後,也能反應

一個真實的火災.同樣,即使存在高的背景紅外線輻射源,也

不會降低其反應真實火災的靈敏度.帶簡單之表決單元處理

之紫外線/紅外線火焰探測器的靈敏度可現場調整,以適合

特殊安裝場所的應用.

缺點:探測器靈敏度可能受紫外線和紅外線吸收物質沉積的影響.

放大器

(1) 濾波片

放大器

(2)

紅外線

光敏管

積分器 積分電荷定

時消除器

限幅倍壓

減波器

開關

電路

LED

確認燈 線路監控

電話

警報

信號

1

6 5

30

(三)智慧型探測技術之探討 近些年來,火災探測器智能控制技術突

飛猛進除已獲重要成果外並日益顯示其

重要性.智能控制技術已成為人工智

慧、控制論、系統論、信息論、認知心

理學、認知工程學、語言學、邏輯學、

仿生學、機器人學、VLSI 工程和計算機

科學等多種學科的綜合與集成,吸引了

各種不同領域的專家學者不斷探索新的

方法、新的理論和新的有效實際應用.

新系統探測器根據探測環境的變化而改

變自身的探測零點,能對自身進行補償

並能對自身的探測可靠度作出判斷,這

種智慧型系統解決了由探測器零點飄移

所引起的誤報和系統自檢問題.

1.模糊神經網路的火災探測技術

模糊邏輯和神經網路是非常有效的模仿

人類思想的智能化技術,將它們運用於

火災探測器,能加強多種探測器對環境

特徵參數的智能處理且能有效提高探測

的靈敏度,大大提升系統的抗干擾能力和

對環境的適應能力.其工作原理如圖 18 所

示.

模糊神經網路不是簡單的模糊技術加神經

網路,而是把神經網路技術與模糊技術結

合為一個有機的個體,並由大量的模糊神

經元相互連接所構成.系統是由模糊規則

和隸屬度函數用神經網路表示,將隸屬度

函數的參數賦予神經網路的加權值,所生

成的神經網路用於實踐模糊推理.

首先將探頭的輸出信號送入模糊系統以充

分提取火災特徵,接著神經網路處理後,利

用模糊邏輯來判斷神經網路的輸出結果.

模糊邏輯和神經網路的複合算法能夠有效

提高警報系統的自適應性.將模糊邏輯系

統與神經網路結合起來,取長補短,能把信

號處理範圍提高到一個新的境界.其中神

經網路模擬大腦的拓撲結構為﹤硬體 ﹥,

而模糊邏輯系統模擬信息模擬處理的思維

能力為﹤軟體 ﹥.

圖 18 智慧型火災探測系統偵測原理

(1)主從型結合(串聯型)

如圖 19 所示,模糊邏輯系統與人工神經

網路系統一主一從,通常先由模糊邏輯

系統對數據樣本進行處理,再由人工神

經網路進一步完善,或者相反.這種情

況可看成是兩段推理或串聯中的前者作為

後者輸入信號的預處理部分.可使數據整

理聚集和抑制噪音使獲得模糊規則的過程

變得容易.其最大特點是模糊邏輯系統與

人工神經網路的相互獨立性.

參數變量 網路輸入 決策結果

圖 19 主從型結構模型

神經網路

火災探測模型 訓練值

感測

單元

預處理和

特徵提取

神經網路

火災預測模型

模糊邏輯

判 定 執行器

訓練樣本輸出值

模糊決策 神經網路

學習算法

31

(2)融合型結合(串聯型)

在這種結構中,模糊邏輯系統與人工神

經網路系統間無主從之分,而是你中有

我,我中有你,用其中一個來實踐另一個

不能或是難以實現的功能.見圖 20 融合

型結構模型之優勢如右列所示:

A.模糊推理技術加快神經網路學習速並由

此來構造高性能的模糊邏輯系統.

B.用神經網路提取模糊規則,使模糊邏輯

系統也具有一釘程度的自學習能力.

C.實現模糊邏輯推理而輸入量和加權值都

為精確值的神經網路.

網路輸入 網路輸出 決策結果

圖 20 融合型結構模型

(3)用神經網路理論與模糊系統應用在

火災探測計算法之優勢如下:

A.光電、偵溫、CO 氣體等多種不同信號

輸入之間的關係複雜,無法構建準確

的數學模型,而神經網路、模糊系統都

能適用於數學模型未知的結構.

B.對於探測這種非結構的火災問題,其

實人類的識別能力最強,而人的判斷

是由大腦的神經網路完成的.因此應

用在火災探測中,模糊邏輯系統也可

以實現模仿人類思維推理的功能.

單元探測技術所採用的單一參數火災感

測單元對火災特徵信號反應靈敏度的不

均勻性,因此採用多元參數複合式感測

單元是必要的,光電偵煙探測器與偵溫

探測器複合使用是最常見的例子.

但是光電偵煙探測方式會因各種灰塵、

水氣、油霧等對其精確度會造成影響,同

時偵溫探測器對悶燒狀態之偵測不敏

感、反應速度慢,而且無法分辨到底是火

災的熱還是由烹調所生的熱,所以加入

CO 偵測器為確認火災發生之必要措施,

因為絕大多數火災都會產生 CO 氣體.

2.多探測元件多判斷探測技術

火警探測器除用於通報火災資訊外,必要

時還需啟動各式滅火設備來滅火,因此系

統的可靠性就顯得非常重要.火災的形成

由燃燒物質的數量、類型及供氧條件之差

異決定了火燄和煙濃度的規模及其發展趨

勢. 這就是為何單一參數火災感測單元不

可能充分偵測各種不同類型火災的原因.

實際上,各種不同類型的火災,通常都使用

各類不同類型的火災探測器如偵溫、偵

煙、火燄等,而多元參數複合式感測單元是

從這些探測器獲得各種不同類型的資訊,

再將些信號導出多樣的診斷數據,利用數

據融合技術進行數據整合處理,提取有用

且可靠的資訊,達到測量和控制的目的.

(1)串聯資訊融合: 如圖 21 所示.

當探測器之感測單元接收前一級感測單元

的輸出結果,每個感測單元既有接收資訊

處理的功能,又有資訊融合的功能.最後一

個探測器之感測單元綜合了所有前級感測

單元輸出的訊息,得到的輸出將作為串聯

融合系統的結論.因此前級的輸出對後級

的感測單元輸出的影響很大.

模糊決策 模糊決策

學習方法

知識庫

32

圖 21 多探測器串聯資訊融合功能模型

(2)並聯資訊融合:

各個感測單元直接將各自的輸出資訊傳

輸到感測單元融合中心,各探測器間相

互無影響,融合中心對各自資訊按適當

方法進行綜合處理後,輸出最終結果.

(3)混合資訊融合:

混合資訊融合是串聯融合和並聯融合兩

種融合方式的結合,或總體串聯,局部並

聯;或總體並聯,局部串聯.

(4)多探測器資訊融合系統的功能模型:

假設有三個探測器共同監視一個有著不同

特徵的火災目標.在圖 22 所示的模型中,

資訊融合系統的功能主要是對各類原始數

據進行校準、相關比對、識別、估計和狀

態決策等處理.第一步是低層處理,對應於

數據層融合和特徵層融合及輸出的狀態、

特徵和屬性.第二步是高層處理,對應的決

策層融合,如煙塵或火燄等.

圖 22 多探測器並聯資訊融合功能模型

(5)火災自動探測資訊融合系統結構:

火災自動探測系統應具有三層融合結構

即資訊層、特徵層和決策層.資訊層主要

完成原始數據的採集與處理; 由特徵層

提取資訊層輸出信號的數據特徵;而決策

層則充分利用特徵層所提取的測量對象的

各類特徵資訊,採用適當的融合技術求得

最終融合結果. 圖 23 所示.

資訊層 特徵層 決策層

O1

u

O2

圖 23 火災自動探測資訊融合系統結構

探測器

(一)

探測器

(二)

數據

校準 探測器

(三)

數據

校準

特徵

估計 輸出

探測器

(一)

探測器

(二)

探測器

(三)

數

據

校

準

校

正

數

據

比

對

處

理

目標識別

狀態估計

特

徵

估

計

態勢高層估計

●煙塵

●溫度

●火燄

關於實體時間

的低層數據

●狀態向量

●特徵屬性

F

探測器 1

探測器 2

探測器 3

局部決策 1

局部決策 2

局部決策 3

專家系統

特徵提取器

神經網路

特徵提取器

模糊推理

融合系統

33

3 視頻圖像處理火災探測技術 圖像是視覺的延伸,通過圖像可以立即

準確地發現火災事故.圖像監測是以光

為傳播媒體,能快速達到視覺所接受的

資訊信號,而圖像所顯示豐富性和直觀

性更為早期火災的辨識和判斷奠定了堅

固的基礎,同時具有下述之優勢.

A.能在大空間大面積的環境中使用.

B.能在多粉塵或潮濕的環境中使用.

C.能提供直覺的及豐富的火災資訊.

D.能對圖像資訊做出快速的反應.

E.能提高發報準確度減少漏報及誤報.

遠程視頻圖像監控系統採用非接觸式的

偵測技術,密封式包裝能抗環境腐蝕,抗

干擾性亦強.系統結合數位通信和數位

圖像處理技術,分析火災圖像特徵,可以

完善地解決大空間及惡劣環境下的火災

偵測問題.

火災視頻圖像監控系統結構,如圖 24 所

示. 視頻切換器能對多個目標同時進行監

控,按照一定規律進行巡檢,通過視頻切換,

可以利用一套系統同時對多個現場進行監

控; 智慧型火災圖控處理單元主要完成圖

像的處理過程,並輸出處理結果,即是否發

生火災的研判結果. 如果判定發生火災,

則聯動模組進行發布警報並啟動滅火設備

進行滅火. 資訊管理系統為對火災圖控處

理單元及視頻監控單元的處理結果及各種

火災及視頻監控資訊進行管理.

視頻圖像監控系統主要構件有:

(1)攝影機組: 黑白 CCD 攝影機、彩色

CCD 攝影機、熱像儀、微光攝影機等.

(2)視頻採集卡.

(3)火災圖像處理單元.: 圖像預處理器、圖

像分割、圖像分析、圖像理解等.

(4)其他聯動控制模組.

攝影機

攝影機

攝影機

圖 24 火災視頻圖像監控系統結構

參考文獻

[1] 劉大衛，2003，消防設備師手冊，詹氏書局。

[2] 劉大衛，2014，火警系統之新結構與未來發展。

[3] 吳玉祥、高士峰，警報系統消防安全設備設計，考用出版社。

[4]

[5]

[6]

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孫景芝，2005，電氣消防技術，中國建築工業出版社。

Robert M. Gagnon, 2007, Design of Special Hazard and Fire Alarm System, 2nd Edition.

視

頻

採

集

卡

智慧型火災

圖像處理單元

資訊管理系統

數據庫

聯動模組

中心控制系統

控

制

信

號

分析結果

狀

態

信

號